基于IGBT的开关式励磁调节器的应用

 1. 背景
  当前很多国有大中型企业都是连续生产型企业，企业在生产过程中需要大量热能，为了生产的连续和供热调节需要，各企业均建有自备热电厂，这些自备热电厂多配置的是中、小火电机组。
  这些中、小火电机组大部分配置的均为直流励磁机，励磁调节大部分都采用老式的励磁调节器，如KFD-3励磁调节器。随着企业的发展和电网对企业电能质量的要求，老式的励磁调节器已经不能调压和调节无功的需要，对其进行改造已经势在必行。
 
  2. 开关式励磁调节器
  开关式励磁调节器是利用晶闸管或IGBT为核心功率器件，辅助以外围调节和回路而组成的励磁调节器。发展至今已经出现了微机型的开关式励磁调节器。
  TDWLT-01KS励磁调节器是基于IGBT的开关式励磁调节器，应用于中、小火电机组中。
 
  3. 系统现状
  某25MW火电机组采用的是直流励磁机的励磁方式，配置的是KFD-3励磁调节器。该调节器主要由相复励装置和电压校正器两部分组成。相复励装置主要由相复励变压器、电抗器、补偿电容器、升压自耦变压器及输出整流器等构成；电压校正器由测量、放大、调整三部分构成。
  虽然该调节器在很长段时间内起到了很好的调节作用，但是由于传统相复励式调节器采用磁放大器，利用铁心的磁饱和特进行电压测量、误差放大和电流，因此调节低。其测量变压器的饱和度不取决于电压的低，还对频率敏感，在某些事故造成局部电网频率升或降低的情况下，会加大电压调节误差；由于没有采取的稳定措施，调节器运行稳定较差，经常发生无功电压摆动、并列机组问抢无功等，严重时影响发电机组正常运行；阶跃响应调量大，摆动时间长，调节时间常数大，调节电阻过热、易老化，造成接触不良，缺乏必要的和保护功能。该调节器已经被淘汰。
 
  4. 系统改造
  4.1 方案论证
  对励磁设备改造时， 如果整体拆除直流励磁机换自并激励磁系统，次投资太大，而且自并激改造时需要增加大容量励磁变压器及可控硅整流装置，施工难度较大。因此，保留直流励磁机，采用开关式微机励磁调节器替代直流励磁机原励磁装置是励磁设备自动化改造时优先考虑的方案。把IGBT作为励磁主回路元件串接在励磁机励磁绕组中， 利用斩波IGBT的占空比，来调节励磁机励磁电流，从而发电机励磁电压和无功来达到励磁自动调节的目的。此改造方案原理简单，不需另外增加设备，直接通过直流励磁机的电枢取励磁源，残压起励，励磁绕组通过开关管和直流励磁机组成自激系统，主回路元件少，结构简单可靠，可以根据励磁机原有励磁方式灵活地进行配置。
  4.2 改造方案
  改造部分为面屏柜，内部配置立、互为备用的两套微机式励磁调节器（选用TDWLT-01系列）以及两组IGBT回路，两个IGBT功率回路并联工作。保留原直流励磁机、原励磁设备的灭磁部分（即灭磁开关和灭磁电阻）和磁场变阻器。两个IGBT开关管与磁场变阻器并联后与直流励磁机转子绕组串联，由双套微机励磁调节器中的主调节器发调节脉冲共同调节两个IGBT开关管，进而改变发电机励磁电流，调节发电机无功，共同完成发电机励磁调节。装置按大裕度选用IGBT开关管，并设置可靠的保护和吸收电路。
  调节器通过接于机端的电压互感器、电流互感器以及转子分流器，测量发电机的定子电压、机组频率、有功功率、无功功率以及转子电流等发电机当前运行工况，和给定值比较后经PID调节计算产生输出PWM值，PWM范围为-～，PWM在0～范围时，IGBT占空比在0～调节。
  4.3 调节原理
  以电压闭环调节为例，说明调节过程。
  励磁调节器根据占空比PWM 形成触发脉冲，此脉冲通过驱动板进行电压和频率放大后驱动IGBT，IGBT的开通和关断的时间，从而励磁机励磁电流I_lf。IGBT在开关励磁系统中的工作原理如图1所示。

图1 IGBT在开关励磁系统中的工作原理

 
  5. 存在的问题及解决方案
  5.1 均流问题
  电力电子器件并联使用，如果器件之间长期不均流，就会导致某个器件长期满负荷甚至负荷运行，而另个器件低负荷运行，长期下去就会造成单器件的损坏。
  外很多文献对器件均流问题提出了解决方法，比如“下垂法”、“主从均流法”、“自动均流法”、“民主均流法”等，效果不，各有优缺点。
  为了解决改造工程中的器件均流问题，从工程角度出发，采用了以下方法：
  (1)选用大裕度的功率器件并所选器件参数的致，这样就了器件不会负荷运行。
  (2)为了使调节器针对两个功率器件发出相同的调节脉冲，以两个器件得到的指令致，强行将两个器件的占空比调成致。
  (3)将两个器件安装在同块散热板上，尽量两个器件的安装条件致。从运行效果和实际测量结果上看，这些措施可以两个功率器件运行电流分配的致，较好地解决了器件的均流问题。
  5.2 励磁系统的开机问题
  改造保留了磁场变阻器，其与开关式励磁调节装置相互作用，如果单采用开关式励磁调节装置开机，在开机的瞬间会出现较大的电压波动，导致系统不稳定。
  改造中，通过不断试验，zui终采用先用磁场变阻器调节开机并网，再投入开关式励磁调节装置的方式，不会造成电压波动的问题，调节过程相当平滑。
  5.3 励磁系统中的强励问题
  由于原有的强励继电器依然保留，而开关式励磁调节装置本身也具备强励功能，这样就出现了两部分强励功能怎样配合、强励倍数如何整定的问题。
  分析回路，发现开关式励磁调节装置强励动作后，相当于将并联回路进行了短接，原来保留的强励不起作用；如果开关式励磁调节装置强励不动作，原来预留的强励也可以动作。因此，在实际中将两部分强励投入，并联运行。
  5.4误强励问题
  新的励磁系统要求采用三组TV作为系统电压低还是TV断线的判据，而实际改造中只有两组TV，如果两组TV同时断线，由于没有系统TV作为辅助判据，就会造成误强励。
  在改造工程中，通过和制造厂家协商，修改了强励的动作判据，加入发电机断路器的辅助接点作为辅助判据。如果两组TV同时断线，只要发电机出口断路器未跳闸，就判断为TV断线。手动将电压闭环转为电流闭环，处理完TV断线后，再将电流闭环转为电压闭环。